Gli scienziati dei materiali della National University of Science and Technology "MISIS" (NUST MISIS) hanno sviluppato un esclusivo materiale sandwich acciaio-vanadio-acciaio in grado di resistere a temperature fino a 700°C, forte esposizione alle radiazioni, stress meccanico ed esposizione chimica per un lungo periodo di tempo. Il materiale può essere utilizzato nei gusci dei nuclei dei reattori nucleari.

Le aste appartengono alle unità funzionali chiave del reattore nucleare. Entrano in contatto con il combustibile di uranio e controllano l'intensità della reazione nucleare. Il problema principale del reattore nucleare a neutroni veloci di nuova generazione, che permette di riutilizzare l'uranio, sono i gravi carichi a cui sono sottoposte queste canne.

Le temperature massime di esercizio dei gusci degli elementi di combustibile nei reattori di nuova generazione raggiungono i 550-700°C. Sodio, il liquido di raffreddamento del metallo, opera all'esterno. I carichi creati sono molto più alti di quelli che possono sopportare i gusci del nucleo dei reattori esistenti.

Per chiudere il ciclo del combustibile nucleare in un reattore a neutroni veloci di nuova generazione, nuovi materiali strutturali in grado di fornire un consumo di combustibile più elevato rispetto a quanto attualmente realizzato, sono necessari. Questi materiali dovrebbero resistere a dosi di radiazioni dannose fino a 180-200 dpa (spostamenti per atomo), invece del massimo 100-130 dpa, tipiche dei materiali esistenti.

In tali condizioni, le aste del guscio in acciaio semplicemente non sono in grado di funzionare. L'obiettivo degli scienziati dei materiali è creare un materiale in grado di resistere all'impatto simultaneo di più fattori in un ambiente esterno super aggressivo per un lungo periodo di tempo.

"Il nostro team ha sviluppato un materiale a tre strati, "acciaio/lega di vanadio". L'acciaio ferritico resistente alla corrosione in esso fornisce resistenza alla corrosione, e la lega di vanadio (V-4Ti-4Cr) fornisce resistenza al calore e resistenza alle radiazioni sufficienti per resistere agli effetti degli ambienti ultra rigidi di un reattore nucleare", Aleksandra Baranova, coautore della ricerca, studente post-laurea del NUST MISIS Dipartimento di Scienze Metallurgiche e Fisica della Forza, dice.

Secondo lei, creare un tale composito non è un compito facile, poiché i due materiali dovrebbero essere il più possibile monolitici nelle giunzioni.

"Il problema è stato risolto mediante l'uso di complesse deformazioni e trattamenti termici di billette a tre strati, compresa la coestrusione a caldo (pressatura), forgiatura radiale e laminazione di giunti. Di conseguenza, una "zona di transizione" è formata al confine dei componenti. I materiali si diffondono l'uno nell'altro, che fornisce un'elevata forza della loro connessione, "dice Alessandra.

Di conseguenza, acciaio e lega di vanadio "crescono" l'uno nell'altro, relazione degli scienziati. Il team di ricerca è riuscito a creare un prototipo del guscio centrale, che è un tubo monolitico a tre strati.

I test di laboratorio mostrano un'elevata resistenza meccanica del composito a temperature di esercizio fino a 700°C. Nel futuro prossimo, gli scienziati hanno in programma di iniziare studi a lungo termine sul materiale sandwich per la resistenza alle radiazioni.